Чистый вакуум воздействует на свет

Классическая физика утверждает, что космическое пространство представляет собой чистый вакуум, лишенный материи. С точки зрения квантовой физики, частицы и античастицы в вакууме могут парами спонтанно возникать и тут же исчезать — аннигилировать. В частности, под воздействием сильного магнитного поля показатель преломления вакуума, даже в отсутствие какого бы то ни было вещества, может изменяться.

Эффект был обнаружен группой доктора Эмилио Заваттини (Emilio Zavattini) в рамках эксперимента PVLAS в лаборатории итальянского национального института ядерной физики (INFN) в городе Леграно. В эксперименте PVLAS линейно поляризованный пучок фотонов пропускался через вакуум в присутствии магнитного поля напряженностью 5 Тл. Изучалось изменение поляризации луча, прошедшего в вакуумной камере 1 м. На основании анализа статистики, накопленной в результате 44 тыс. измерений, исследователи сделали вывод, что направление вектора поляризации фотонов изменилось на 3,9(+/-0,5)x10^-12 рад, т.е. менее чем на половину миллиардной доли градуса.

Эффект чрезвычайно мал — тем не менее, результаты эксперимента позволяют предположить, что при прохождении в вакууме фотон взаимодействует с неизвестным видом материи — возможно, неизвестной еще элементарной частицей. Например, возможно взаимодействие фотона с рождающимся в вакууме виртуальным фотоном, в результате чего образуется промежуточная частица, которая затем быстро распадается на два фотона. Этот механизм ограничивает движение фотонов, поляризованных параллельно внешнему полю, вследствие чего луч становится эллиптически поляризованным. В свою очередь, поворот плоскости поляризации может быть вызван взаимодействием фотона с виртуальным фотоном. В результате такого взаимодействия образуется реальная частица, которая и уносит вращательный момент.

Если наблюдаемый эффект вызван присутствием в вакууме аксионов, то результаты эксперимента PVLA накладывают более строгие ограничения на массу и силу взаимодействия этих частиц. Подобный эффект может проявляться особенно заметно вблизи компактных сверхмассивных объектов — таких, как нейтронные звезды. Доктор Джованни Бигнами (Giovanni Bignami) с коллегами из университета Павия недавно высказал предположение, что магнитные поля напряженностью 10¹¹ Тл вокруг нейтронных звезд могут отклонять свет, что приводит к расщеплению изображения на несколько частей, аналогичного эффекту гравитационной линзы.

По мнению д-ра Бигнами, такой эффект должен наблюдаться во время затмения одного из компонентов двойной системы пульсаров J037–3039 — следующее такое затмение ожидается в 2020 году. Группа исследователей, занятых в эксперименте PVLAS, намерена продолжить проверку своей гипотезы и собирается повторить эксперимент на фотонах с меньшей длиной волны.