Вчені з Італії, Польщі та Великобританії імовірно знайшли перше свідчення незвичайного квантового ефекту - подвійного променепреломлення світла у вакуумі під впливом сильних магнітних полів поблизу нейтронної зірки RX J1856.5-3754. На думку авторів, експериментальне спостереження цього ефекту є прямим доказом справедливості квантової електродинаміки в межі сильних полів. Робота опублікована в, короткий її опис доступний на сайті Південної Європейської обсерваторії.
Квантова електродинаміка - теорія, що пояснює ефекти взаємодії випромінювання з речовиною і заряджених частинок між собою, яка враховує дискретність (квантованість) властивостей електромагнітного поля. Відповідно до цієї теорії взаємодію між, наприклад, фотонами можна пояснити через їх проміжну взаємодію з якимись віртуальними частинками (парами частинка-античастинка). Таким чином, вакуум не є абсолютно порожнім простором, якщо розглядати його з точки зору квантової електродинаміки.
У звичайних умовах зафіксувати народження цих віртуальних частинок неможливо - пучки світла малої інтенсивності проходять один через одного практично без взаємодії. Однак, як пророкує теорія, при енергії фотонів в кілька десятків тераелектронвольт можна побачити розсіювання одного пучка світла на іншому. Потрібні величезні значення сили електричних або магнітних полів (світло - це електромагнітна хвиля), щоб народження пари віртуальних частинок не пройшло безслідно. Сучасний рівень технологій не дозволяє їх досягати.
Однак у природі є об'єкти, що генерують досить сильні поля. У першу чергу, це пульсари - нейтронні зірки, які швидко обертаються. Магнітні поля пульсарів можуть досягати індукції в мільярди і трильйони тесла, в той час як рекорд індукції поля, поставлений людиною лише наближається до позначки в 3 000 тесла (для імпульсних полів) і близько 100 Тесла для постійних магнітів.
Але енергії надсильних полів поблизу нейтронних зірок має бути достатньо, що впливати на світло, яке проходить через таке середовище. Наприклад, у таких умовах може спостерігатися незвичайне явище - двопромінювання у вакуумі, виникнення якого було теоретично передбачене в рамках квантової електродинаміки. Порівняння експериментальних досліджень двопромінення і теоретичних передбачень може стати новим важливим підтвердженням теорії.
Явище подвійного променепреломління у вакуумі можна пояснити на прикладі його «земного» аналога, який спостерігається в нелінійних оптичних кристалах. При проходженні поляризованого світла через такий анізотропний кристал (властивості якого різні за різними напрямками), як кальцит, він розщеплюється на два промені, що мають різну поляризацію (поляризація являє собою спрямоване коливання векторів напруженості електричного поля E або напруженості магнітного поля H). Щось подібне може спостерігатися і в надсильних полях у вакуумі.
Автори нової роботи вирішили використовувати магнітне поле нейтронних зірок для дослідження «оптичних властивостей» навколишнього їх вакууму. Вчені провели спостереження поляризованого світла нейтронної зірки RX J1856.5-3754 за допомогою Дуже Великого Телескопа (VLT - Very Large Telescope), розташованого в обсерваторії Параналь в Чилі. У результаті аналізу сигналу, зібраного від пульсара, вчені виявили надзвичайно високий ступінь лінійної поляризації світла випромінювання від зірки - близько 16 відсотків. Вчені інтерпретували це як наслідок ефекту вакуумного подвійного променепреломління в просторі, що оточує пульсар RX J1856.5-3754.
Існують й інші процеси, які можуть призвести до поляризації світла зірок під час його поширення в космосі. Так, вчені ретельно проаналізували можливості інших пояснень - наприклад, поляризації при розсіянні на пилових частинках. Але приймаючи припущення, що речовина поблизу зірки не складається з безлічі однаково орієнтованих частинок, ступінь поляризації завдяки цьому ефекту може досягати лише декількох відсотків. Той факт, що щільність речовини поблизу пульсара RX J1856.5-3754 є досить низькою (це випливає з інших спостережень), говорить на користь того, що даний ефект не повинен надавати істотного впливу на результат спостереження.
«Дослідження, виконане на VLT - найперше спостережливе підтвердження передбачень ефектів квантової електродинаміки у вкрай сильних магнітних полях», - зазначає один з авторів роботи, Сільвія Зейн.
Пульсар RX J1856.5-3754 входить у групу нейтронних зірок, відому під назвою Чудової Сімки. Це ізольовані нейтронні зірки, які не мають зоряного компаньйона, не випромінюють, на відміну від пульсарів, радіохвиль і не оточені речовиною, що залишилася після вибуху породили їх наднових. Пульсар RX J1856.5-3754 розташований за 400 світлових років від Землі і є найяскравішим об'єктом цієї групи.